某风电场半直驱永磁发电机现状分析

某风电场半直驱永磁发电机现状分析

佘守山

大唐（庄河）风力发电有限公司    辽宁省大连市庄河市  116400

摘 要：随着新能源快速发展，风电装备不断崛起，风力发电机以双馈机型、直驱机型、半直驱型风电机组为主流机型，技术成熟，不同风资源区域可选择较适应机型，由于风资源利用不同环境下对风电机组的性能提出了更高的要求，以此来保障风电场的发电效能，风电机组大部件装配工艺，半直驱型也称为中速永磁发电机，是一种介于双馈型和直驱型之间的风电机组类型。是当前海上风电应用较广泛的一种机型。

关键词：发电机简介；半直驱技术特点；某风电场现状分析；发电机间隙；轴电流；振动频率

引  言

风力发电作为21世纪可再生清洁能源，已被人们广泛运用，对比传动火力发电，风力发电所消耗的资源取之不尽用之不竭，随着近几年新能源蓬勃发展，风电装备制造业开发大兆瓦机型依然成为新能源行业中的重要部分，发电机、齿轮箱作为风电机组的核心部件，对机组运行可靠性发挥着重要作用。

1 风力发电机型简介

风力发电机组主要由风轮、齿轮箱、发电机、变流器、塔筒等大部件组成，将风能转换为机械能、机械能转换为电能，能量转换需同时生产、输送、使用。按照风力发电机运行原理分为以下几类：

1.1鼠笼式异步发电机

应用于早期的离网型的小型发电机，结构简单，性能稳定，成本低。但并网运行时，转速必须超过同步转速，在风速较小的时候效率很差。一般做成大小两个发电机，或者改变定子绕组以改变同步转速，按照风速段转换。

1.2双馈异步发电机

使用双馈变流器对转子进行交流励磁，随着转子物理转速的变化，改变交流励磁的交流电的频率、幅值、相位，以使定子输出的电压幅值和电流频率保持恒定，同时可以向电网输出感性或容性的无功。

图一   双馈异步发电机原理图

1.3永磁同步发电机

转子由永磁材料制成，结构简单，不易损坏、维护方便，容量可以做到很大。转子可以做成很多级，这样可以使其同步转速降低，配合全功率变流器，在低风速的时候也可以发电。一般用于海上风机。

图二  半直驱永磁发电机原理图

2 海上风电半直驱机型技术特点

半直驱永磁风力发电机基于双馈与直驱风电机组的特点，半直驱风机结构上与双馈风机类似，中速齿轮箱和发电机集成为整体，统称传动链，采用中速齿轮箱降低了高速输出齿轮带来的齿轮箱故障率，发电机采用双绕组中速永磁同步发电机，体积、重量较直驱发电机减小，维护量大幅减少，中速永磁发电机的效率可达95%以上，较双馈异步发电机高出2-3%，发电机采用永磁体励磁，无需励磁装置，可靠性高，同时满足接入电网技术能力，具备高电压、低电压穿越、电能质量，变流器适应性能力。本文选取某在役海上风电场MySE半直驱机型重点探讨运维现状分析。

3 某海上风电场MySE半直驱永磁风力发电机现状分析

以某海上风电场总装机容量100MW项目运行情况探讨，该项目采用MySE半直驱永磁风力发电机，自项目投产以来受抢装潮影响，工程整体遗留问题较多，且该项目因外送通道受限，长期未实现全容量满发，以至于试运行周期增加，机组长期处于小功率运行，未能真实反应出该机型在该海域完整年度工况下运行水平。对该项目历史数据分析，该机型存在较多的问题为变流器故障、传动链安装工艺不良，联轴器在旋转过程中会不可避免的产生感应电压，发电机气隙不均匀运行过程中空心轴产生感应电动势，生成轴电压、轴电流，电腐蚀发电机后轴承，造成发电机运行振动过大，引发联轴器密封损坏，发生漏油，诱发机组通讯、超速等故障，机组发生非正常停机，故障停机时长大幅增加，经统计该项目自投产至今因此类缺陷造成机组故障停机时长为12111.3小时，造成损失电量4988.9万千瓦时，直接经济损失高达1168万元，对项目生产经营早晨较大制约因素。

3.1发电机轴电流产生原因分析

MySE海上型半直驱永磁发电机装配工艺不良，造成转子与定子间隙高于标准公差7mm，发电机配置的品牌不同的联轴器，以无锡创明品牌的联轴器、瓦轴轴承为例，联轴器在旋转过程中会不可避免的产生感应电压，无锡创明品牌的联轴器因缺少与发电机连接之间的绝缘层，运行过程中产生的感应电势导入大地，一部分残留电势会因无绝缘层的阻隔，反向施加给发电机轴承，造成发电机后轴承电腐蚀损伤，从而出现机组振动大、异响的现象。

3.2轴电流造成发电机振动频率超标分析

根据《陆上带有齿轮箱的风力发电机组及其组件机械振动测量与评估》发电机轴承VDI3834 标准预警值频率范围 10-5kHz，该项目MySE机组通过振动检测预警系统，发电机外部左侧振动频率已达20.41kHz，右侧频率已达20.02kHz，大部件振动频率已高于预警值4倍，发电机发生异响，机组运行时振动过大造成通讯回路接线松动，烧损电气元器件，频发故障，导致损失电量升高。

全频段频率

发电机全频段有效值趋势图和频谱图

3.3应用接地碳刷将轴电流外引技术措施

基于该项目机型已投运，在原有发电机后端部高速轴刹车大盘两侧装设刷握、接地支架、接地报警信号、刹车大盘两侧分别装设2根接地碳刷，使发电机运行时产生的轴电流外引至机舱接地，并流入主地网，从而降低轴电流对发电机后轴承电腐蚀的隐患。

       碳刷支架                碳刷

   碳刷安装位置           机舱接地位置

3.4应用具有绝缘性能的法兰抑制轴电流技术措施

联轴器作为发电机与齿轮箱连接的主要部件，无锡创明联轴器因缺少与发电机连接之间侧绝缘层不能有效抑制轴电压、电流，创明较RENK联轴器在结构上基本相同，功能均为传递扭矩、保护齿轮箱，适用与MySE半直驱机型，摩擦材料存在差异，创明联轴器采用铜基粉末材质摩擦片，导电性能较好，电阻小于0.1Ω，RENK联轴器采用绝缘摩擦材料摩擦片，电阻大于5MΩ。该措施实施后，机组振动频率下降明显、联轴器漏油及滑环通讯故障同步下降，发电机外部左侧振动频率为3.29kHz，右侧频率为3.72kHz，发电机运行期间振动频率均在标准值范围内，发电机整体运行稳定性得到明显改善，机组故障率较历史同期降低42%。

全频段频率

5结束语

半直驱永磁同步发电机以结构紧凑、小体积、重量轻的优势，广泛应用于海上风电，与陆上风电相对比，海上风电具有得天独厚的风能资源可持续开发，不同品牌主机厂生产的机型不断迭代升级，大兆瓦机型的下线投运，对未来海上风电的空间增加了多样性，因此，无论是半直驱、直驱、双馈机组应用于海上风电场，在设计选型初期，要求主机能够具有更高的可靠性、安全性、稳定性，以此降低运维期机组各类大部件缺陷或小故障频次，减少运维备件、人力、船舶方面的投入，降低损失电量所造成的经济损失。

参考文献

[1]李学华. 浅谈大型半直驱风力发电机组的特点及优势[J]. 太阳能学报,2020, 20